2004년 발견된 그래핀은 발견자가 공로를 인정받아 2010년에 노벨상을 수상할 만큼 파급효과에 대한 큰 기대를 모았다. 세상의 어떤 물질보다 튼튼하고 강하며 우수한 전기적‧광학적 특성을 갖고 있기에 다양한 응용이 가능하리라는 예측이 쏟아진 것이다. 하지만 그 파급효과는 이러한 기대에 미치지 못했다. 순수한 그래핀은 전기가 잘 통하지만 반도체적 성질을 갖지 못해 그래핀을 광소자와 전자소자로 활용하는데 한계가 있기 때문이다.
‘꿈의 물질’ 한계 뛰어넘을 ‘그래핀 양자점’ 특성 규명
그래핀은 구리보다 10배 더 전기가 잘 통하고, 실리콘에 비해 전자 이동 속도가 100배 빨라 ‘꿈의 물질’이라 불렸다. 이어 그래핀이 반도체적 성질을 갖지 못한다는 한계점이 알려지며 많은 이들이 그래핀의 반도체화에 도전하고 있다. 경희대학교 글로벌인문융합연구센터 김성 교수의 ‘그래핀 양자점의 제작 및 특성 연구’ 역시 이러한 맥락에서 이해할 수 있다. 김 교수는 그래핀의 반도체특성을 발현시킬 방법 중 하나가 바로 그래핀을 수나노미터에서 수십나노미터의 크기로 잘게 자르는 것이라 소개했다. 이렇게 만든 그래핀 조각을 ‘그래픽 양자점’이라 부르며, 김 교수는 그 특성을 파악하고 응용할 수 있는 분야를 찾는데 초점을 맞춰 왔다.
2011년부터 지난해까지 6년 간 진행된 연구를 통해 김 교수는 그래핀 양자점과 관련된 논문(2012)을 최초로 발표했다. 그래핀 양자점의 크기에 따른 모양 및 끝자리 상태의 변화와 관련한 양자점의 발광에너지 의존성을 세계 최초로 밝혀낸 것이다. 해당 논문은 현재까지 300회에 달하는 인용횟수를 자랑할 정도로 학계의 주목을 받아왔다.
“그래핀은 이론적으로 예측되었지만 관찰할 수 없었던 현상이나 새로운 현상을 실험적으로 관찰할 수 있게 하는 물질입니다. 기초학문에서의 중요도가 상당하죠. 또한 높은 전하 이동도와 전류밀도, 뛰어난 열전도도, 낮은 발열량, 높은 기계적 강도, 소자 패터닝의 간단함, 탁월한 유연성 및 신축성 등 차세대 소자에서 요구하는 많은 특성을 갖춘 물질입니다.”
그래핀의 수많은 장점에도 불구하고 반도체 성질을 가지지 못했다는 점은 그래핀 이용의 한계점으로 작용해왔다. 이를 반도체화할 수 있는 기술개발과 특성 확보가 중요한 이유다. 김 교수는 연구 끝에 제작한 그래핀 양자점은 이러한 문제점의 대안으로 이목을 끌고 있다. 투명하고 유연할 뿐 아니라 빛을 흡수‧방출하는 특성을 갖고 있어 향후 차세대의 유연하고 투명한 LED, 광센서, 태양전지 등 광전자 소자 자료로 활용할 수 있는 가능성을 제시한 까닭이다. 그래핀 양자점의 비휘발성 메모리소자로서의 활용 가능성 역시 기대를 모으고 있다.
이번 연구를 진행함에 있어 연구인프라와 인력 부족 문제는 김 교수에게도 연구의 어려움으로 작용했다. 고가의 제작‧측정 장비들과 이를 운용하고 분석할 수 있는 여러 연구원들의 유기적 협력이 필수적이지만 현실적 어려움으로 인해 경쟁연구그룹과의 시간 싸움에서 상대적으로 뒤쳐질 수밖에 없다. 좋은 아이디어로 연구를 선점했더라도 발표가 조금씩 늦춰지고 마는 것이다. 연구원들이 연구에만 집중하기 어려운 환경 역시 개선해야 할 점 중 하나다. 김 교수는 이공계의 현실적 어려움으로 연구에 뜻을 두고 진학하는 학생들이 점점 줄어들고 있음을 지적하며 연구와 관련한 환경적 문제들이 개선되어야 함을 거듭 강조했다.
2차원 구조 물질 연구로 새로운 가능성 제시
경희대학교 김성 교수는 오랫동안 반도체 나노구조 및 나노물질의 제작법을 개발하고 이를 응용할 수 있는 분야를 탐색하는 연구를 진행해왔다. 특히 최근 10년간은 그래핀과 그래핀 양자점의 제작법 개발 및 물성을 규명하고 이를 이용한 응용분야를 탐색하는 연구에 집중해온 김 교수다. 그래핀 기반 물질들을 메모리소자, 광센서, 태양전지 등에 활용하기 위한 연구들 역시 이러한 맥락에서 이해할 수 있다. 나아가 이와 관련한 여러 편의 논문과 특허를 등록한 것은 물론 최근에는 그래핀과 유사한 2차원 구조를 갖는 ‘반데르발스 물질(Van der Waals Materials)’에 관한 연구에 집중하는 모습이다. 반데르발스 물질은 그래핀과 유사한 2차원 구조를 갖고 있지만 반도체 특성을 갖고 있기에 또 다른 매력을 갖고 있다는 것이 그의 설명이다.
“2차원 평면구조인 그래핀의 발견은 그 자체로도 매우 중요한 업적이지만 물질이 자연계에서 안정적으로 2차원 구조로 존재하기 어렵다는 통념을 바꾸는 계기가 되었습니다. 그래핀의 발견 이후 다양한 물질들이 2차원구조로 안정적으로 존재할 수 있음을 알게 된 만큼 그런 2차원 물질들은 우리가 지금까지 관찰할 수 없었던 현상뿐만 아니라 새롭고 혁신적인 소자로의 구현도 가능할 것이라 기대하고 있습니다.”
김 교수는 그래핀 외 또 다른 2차원 탐색과 그 특성의 규명, 응용성 확보를 목표로 한 연구를 지속하겠다는 계획을 전했다. 물리학과 전자공학을 복수전공한 만큼 기초부터 응용을 아우르는 연구 성과를 내겠다는 것은 그가 연구자로서 갖고 있는 꿈이다.
과학의 대중화와 저변 확대 위한 노력 이어갈 것
“기초학문이 없는 응용은 명확한 한계를 갖고 있습니다. 결국 다른 선진연구그룹을 따라갈 수밖에 없죠. 이는 기초학문의 뿌리이자 국내에서 가장 큰 학회 중 하나인 한국물리학회 활동에 애착을 갖는 이유입니다.”
매년 두 차례에 걸쳐 개최되는 한국물리학회에 반드시 참석하고자 노력하고 있다는 김성 교수는 이러한 학문적 교류야 말로 ‘물리’라는 학문의 발전을 위해 자신이 할 수 있는 가장 쉬운 실천방법이라 말한다. 그래핀 연구를 시작한 이후 2차원 물질에 초점을 맞추고 있는 그는 학회를 통해 이와 관련한 다양한 정보를 나누고 있다.
한편 김 교수는 과학의 대중화에도 앞장서고 있었다. 지역 중‧고등학생들을 대상으로 한 강연을 통해 과학을 보다 가까이에서 재미있게 접할 수 있는 시간을 마련하고 있는 것이다. 그는 과학의 저변 확대를 위해서는 무엇보다 과학에의 흥미를 갖게 하는 것이 중요하다며, 과학에서 재미를 느낀 후 보다 심도 있게 공부할 때 진정한 과학의 매력을 느낄 수 있을 것이라 조언했다.
“저는 처음부터 교수가 되겠다는 꿈을 꾼 사람은 아닙니다. 그간의 경험이 쌓여 새로운 꿈을 꾸게 했죠. 학생들이 최대한 많은 경험을 통해 자신의 꿈을 찾는다면 꿈을 향해 나아갈 수 있는 용기와 힘을 얻을 수 있을 것입니다.”
자신 역시 20대의 젊은 혈기를 무기로 다양한 시도를 통해 실패와 성공을 경험했다고 말하는 김 교수는 대학교를 10년 만에 졸업했다. 미래가 막막하던 때 대학원에서 만난 좋은 선생님과 선후배들은 그에게 새로운 꿈의 지표가 되어주었다. 그간 그가 쌓아온 경험은 그 꿈을 향해 달려갈 수 있는 원동력이다. 김 교수는 더 많은 경험과 실천을 통해 학문적 성과뿐 아니라 사회에 기여할 수 있었으면 한다며 끊임없이 노력할 것을 약속했다. ‘실패가 아닌 성공할 때까지 버틸 수 있을지’가 가장 두렵다고 말하는 그의 도전정신은 그가 내놓을 수많은 ‘성공’을 기대케 하는 힘이다.
김성 교수
서울고등학교(~1992)
경희대학교 물리학 이학사, 전자공학 공학사(~2001)
경희대학교 물리학 이학석사/이학박사(~2008)
호주국립대학교 박사 후 연구원(~2010)
경희대학교 응용물리학과 조교수(~2017)
경희대학교 글로벌인문융합연구센터 조교수(2017~현재)
